城市模擬模型（UrbanSim）簡介與可視化分析

費姝蘇

（河海大學(xué)文天學(xué)院，安徽 馬鞍山 243031）

0 引言

地理信息系統(tǒng)可以采集、管理、分析和輸出多種城市空間實體信息；以城市模型方法為手段，利用地理信息系統(tǒng)可以對城市進(jìn)行空間分析、多要素綜合分析和動態(tài)預(yù)測。Python 語言作為地理信息系統(tǒng)軟件中空間建模的開發(fā)語言，如何在地理信息系統(tǒng)軟件中充分利用該語言來進(jìn)行空間分析與空間建模已成為地理信息系統(tǒng)開發(fā)熱點之一。本文以地理信息系統(tǒng)可視化方式出發(fā)，對城市模擬模型中的模型進(jìn)行可視化分析展示，對后續(xù)研究有一定引導(dǎo)作用。

1 UrbanSim 模型簡介

城市模擬模型最大的特點就是它以城市發(fā)展過程中的主要部門（住戶、商業(yè)、開發(fā)者、政府等）為研究對象，以年為單位，既可以模擬單一用地或交通項目的影響，也可以對一系列規(guī)劃項目按實施計劃逐年地進(jìn)行動態(tài)模擬。用于城市土地利用、交通需求和城市政策等綜合作用模擬分析。

1.1 城市模擬模型主要模型

在城市模擬模型中，通常每個模型每一次操作就模擬一年的數(shù)據(jù)流，數(shù)據(jù)存儲中包含系統(tǒng)中所有對象的當(dāng)前狀態(tài)，僅有個別類型數(shù)據(jù)可以按需求歸類，或按照用戶要求的文件而處理到外部工具系統(tǒng)中。城市模擬模型的主模型組成就是經(jīng)濟(jì)和人口的過渡模型、家庭就業(yè)遷移模型、可達(dá)性模型、家庭和就業(yè)選址模型，房地產(chǎn)發(fā)展模型和土地價格模型。UrbanSim 在對模型進(jìn)行模擬后，可將模擬結(jié)果以用戶需要的文件格式寫入輸出模塊，以便進(jìn)一步地分析和處理。

1.2 主要模型介紹

1.2.1 可達(dá)性模型

可達(dá)性對城市空間有很重要的影響，在城市模擬模型中扮演了重要的角色。幾乎所有的城市模擬模型都考慮到了可達(dá)性的影響。在城市模擬模型中用總體架構(gòu)的方式來考慮可達(dá)性，將工作地點的選擇看做外部因素，并且使用到達(dá)城市中或預(yù)定工作地點的可達(dá)性來選擇居住地點?？傮w架構(gòu)是總結(jié)從每個圖斑區(qū)到達(dá)各個活動區(qū)的可能性，這個可達(dá)性在家庭和就業(yè)選址模型中是非常重要的考慮因素。

1.2.2 選址模型

主要包含兩大類：就業(yè)選址模型和家庭選址模型。

在就業(yè)選址模型中，預(yù)測這樣事件的概率：一份工作，要么是新的（來自經(jīng)濟(jì)遷移模型），或已遷往該地區(qū)內(nèi)的（來自就業(yè)遷移模型），并將此概率定位在一個特定的地點。網(wǎng)格作為分析中使用的基本的地理單元，其中含有工作占領(lǐng)空間變量數(shù)量?？捎玫墓ぷ鞯攸c在一個網(wǎng)格單元中的數(shù)量將主要取決于細(xì)胞中非住宅樓地段的面積，以及空間使用密度（每平方英尺雇員密度）。

家庭選址模型是為現(xiàn)在沒有居住地的家庭進(jìn)行選址。對于這樣的家庭，它們是隨機從空置的房屋中選擇居住樣例的。每個家庭出于各自的意愿來評價各個樣例選擇，而這些意愿是通過多項log 離散選擇模型基于已有的觀測數(shù)據(jù)所做出的。

1.3 土地價格模型

城市模擬模型的土地價格模型中使用了Hedonic 回歸模型，土地價格模型模擬了每個柵格單元隨著土地特征改變的土地價格。土地價格的變動主要依據(jù)城市經(jīng)濟(jì)學(xué)理論而來，該理論將土地價值轉(zhuǎn)變?yōu)橘Y本置于土地價格中。該回歸模型考慮了地址、臨近地點、可達(dá)性、土地價格政策等因素。同時，它也綜合了本區(qū)域和區(qū)域間空置率對于總體土地價格短期波動的影響。

1.4 房地產(chǎn)發(fā)展模型

房地產(chǎn)發(fā)展模型通過新發(fā)展的建筑數(shù)據(jù)或是已存建筑的轉(zhuǎn)變模擬新房地產(chǎn)建筑。其中的數(shù)據(jù)采用格網(wǎng)單元數(shù)據(jù)，以150×150 為單位。圖層數(shù)據(jù)的預(yù)處理包含圖層與網(wǎng)格單元的疊交，從而在構(gòu)建出每個單元中房地產(chǎn)開發(fā)的綜合面貌。房地產(chǎn)發(fā)展模型的內(nèi)在自變量參數(shù)有很多，可分為四類：城市設(shè)計范圍、區(qū)域、城市的土地閑置率。

2 可視化分析

2.1 基于GIS 的模型可視化系統(tǒng)設(shè)計

隨著地理信息系統(tǒng)在各個領(lǐng)域的廣泛深入應(yīng)用，人們對數(shù)據(jù)的可視化已經(jīng)不再滿足于二維表現(xiàn)形式。城市模擬模型軟件最新版本雖然能夠?qū)?shù)據(jù)進(jìn)行簡單的二維可視化（地圖或表單），但是因為表現(xiàn)形式過于單一已經(jīng)不能滿足研究對數(shù)據(jù)可視化的需要。因此需要借助地理信息系統(tǒng)軟件對模擬結(jié)果進(jìn)行可視化。

圖1 尤金洲工作數(shù)量分布圖

圖2 尤金洲工作數(shù)量分布圖

圖3 尤金住房和就業(yè)對比圖

城市模擬模型與地理信息系統(tǒng)軟件的松散耦合去做可視化集成效率很低?？梢缘教幹谱髌恋牡貓D數(shù)據(jù)，但是在探索工作上太費時間。而且動態(tài)地圖也是需要思考的問題。需要采取綜合的空間分析，可以用Python 的數(shù)字圖像處理軟件包進(jìn)行快速空間查詢。若要解決以上問題，使城市模擬模型的可視化能夠靈活自如，必須采用緊密集成的方法。

2.2 尤金應(yīng)用案例可視化系統(tǒng)分析

俄勒岡州的尤金網(wǎng)格工程是兩個可用的原始樣例工程之一。該工程完全依賴于政府提供的數(shù)據(jù)，和1980 年尤金-斯普林菲爾德條件相似——俄勒岡州的大都市區(qū)。這個工程是城市模擬模型應(yīng)用的第一代案例，把150 米×150 米的網(wǎng)格作為地理單元。在1996 至1998 年間，這些模型發(fā)展成為城市模擬模型的原始模型。在那之后很多模型都做了大量修改，比如基于圖斑的西雅圖工程。

尤金的基于網(wǎng)格數(shù)據(jù)工程可以加載到圖形用戶界面，并可以用模型運行基準(zhǔn)仿真。但是模型的規(guī)范模式不能加載，因此模型不能輕易重新指定或者估計。

下面以尤金為例，簡單探討一下城市模擬模型的可視化分析。

如果要可視化尤金工作數(shù)量分布，最直觀的方法自然是用地圖表示。所以主要的問題就是填充地圖的顏色選擇。第一種方案是選擇幾種不同的顏色，這里選擇了九種，來表現(xiàn)數(shù)量級，如圖1。第二種是選用漸變色，如圖2。

圖3 描繪了住房和就業(yè)的對比，使用271 交通區(qū)域分析為依據(jù)作比較。該圖顯示比例根據(jù)住戶和就業(yè)人數(shù)分別的觀測值和模擬值從1980 年至1994 年的變化。例如，負(fù)500 或以下的類別表明，從1980 至1994 年家庭或工作變動被該模型低估至少500。

可以清楚看出，如要表現(xiàn)兩種因素的對比，柱狀圖是最好表現(xiàn)方式。

3 結(jié)論

研究表明：地理信息系統(tǒng)軟件提供強大可視化展示平臺，可以通過腳本語言在多種系統(tǒng)上交叉運行使用。應(yīng)用Python 語言編程在地理信息系統(tǒng)軟件平臺中嵌入城市模擬模型功能，以實現(xiàn)城市模擬模型數(shù)據(jù)管理，數(shù)據(jù)輸入輸出可視化表達(dá)方法切實可行。但由于城市模擬模型子模型種類較多，如何將地理信息系統(tǒng)軟件的更多功能用于城市動態(tài)模擬，實現(xiàn)數(shù)據(jù)無縫對接，并對模擬結(jié)果進(jìn)行更加精細(xì)分析應(yīng)用仍是需要解決的問題。

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